Luận văn thạc sĩ mô phỏng ứng xử liên kết cột ống thép nhồi bê tông với dầm bê tông ứng lực trước

..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HỒ VĂN NHƯỢNG

MÔ PHỎNG ỨNG XỬ LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI
BÊ TÔNG VỚI DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHUYÊN NGÀNH: KĨ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH
DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP

Đà Nẵng – Năm 2019


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HỒ VĂN NHƯỢNG

MÔ PHỎNG ỨNG XỬ LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI
BÊ TÔNG VỚI DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC

Chuyên ngành: Kĩ thuật xây dựng cơng trình dân dụng và cơng nghiệp
Mã số: 8580201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. ĐÀO NGỌC THẾ LỰC

Đà Nẵng – Năm 2019


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian học tập và nghiên cứu tại lớp cao học K34.XDD, Khoa xây dựng
dân dụng và công nghiệp, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng, dưới sự giảng
dạy của các thầy giáo trong khoa, sự giúp đỡ tận tình của Ban chủ nhiệm Khoa và các
thầy cô trong Khoa, sự cố vấn và hướng dẫn nhiệt tình của Thầy giáo hướng dẫn khoa
học, cộng với sự nỗ lực của bản thân, tôi đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học với
đề tài: “Mô phỏng ứng xử liên kết cột ống thép nhồi bê tông với dầm bê tông ứng lực
trước”.
Tôi xin chân thành cảm ơn các cấp lãnh đạo Trường Đại học Bách Khoa – Đại
học Đà Nẵng, Khoa xây dựng dân dụng và công nghiệp và các thầy cô giáo cùng tập thể
cán bộ công nhân viên trong trường đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tơi trong quá
trình học tập, nghiên cứu tại trường.
Tôi đặc biệt cảm ơn thầy giáo TS. Đào Ngọc Thế Lực – Người đã có cơng lớn
trong việc hướng dẫn khoa học, tận tình chỉ bảo tơi giúp tơi hồn thành tốt luận văn này.
Tác giả luận văn

HỒ VĂN NHƯỢNG


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bớ trong bất kỳ cơng trình
nào khác.
Tác giả luận văn

HỒ VĂN NHƯỢNG


MÔ PHỎNG ỨNG XỬ LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI DẦM
BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC
Học viên: HỒ VĂN NHƯỢNG Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình DD& CN
Mã số: 8580201

Khóa: K34

Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt - Trong các cơng trình nhà cao tầng, kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFST) ngày
càng được sử dụng rộng rãi bởi những ưu điểm vượt trội so với cột bê tông cốt thép (BTCT)
truyền thống. Do đó, sự kết hợp giữa cột CFST với dầm bê tông ứng lực trước hay sàn phẳng
BTCT sẽ tạo ra các hệ kết cấu có tính ứng dụng cao cho nhà cao tầng. Trong trường hợp nhà
có nhịp khung lớn mà kết cấu sàn phẳng không đáp ứng được độ cứng ngang cho cơng trình
thì giải pháp sàn có dầm bẹt được xem là hiệu quả (tăng độ cứng ngang và hạn chế tăng
chiều cao tầng so với dầm cao). Tuy nhiên, việc liên kết giữa cột CFST với dầm bê tông ứng
lực trước khá phức tạp, các nghiên cứu về liên kết mới chỉ dừng lại ở việc đề xuất liên kết và
tiến hành thí nghiệm đánh giá độ tin cậy của liên kết. Luận văn này trình bày quá trình mơ
phỏng liên kết giữa cột CFST với dầm bê tông ứng lực trước sử dụng phần mềm ABAQUS.
Kết quả mô phỏng được so sánh với kết quả thí nghiệm với mục đích kiểm chứng sự chính
xác của việc mơ phỏng liên kết sử dụng ABAQUS.
Từ khóa – Cột ống thép nhồi bê tông; CFST; dầm bẹt BTCT; dầm bê tông ứng lực trước;
liên kết; mô phỏng ABAQUS.
MODELING CONCRETE FILLED STEEL TUBE COLUMN WITH
REINFORCED CONCRETE BAND BEAM CONNECTIONS USING ABAQUS
SOFTWARE
Abstract - In the high rise buildings, concrete filled steel tube (CFST) column structure are

more widely used due to the advantages compared to the traditional reinforced concrete
column. Therefore, the combination of CFST column with prestressed concrete beam or
reinforced concrete plate slab will create highly effective structural systems for high rise
buildings. In cases where the buildings have a large frame span but the plate slab structure
does not provide enough horizontal stiffness for the building, the band beam solution is
considered effective (increasing the horizontal stiffness and reducing the height of the floor
compared to the beam high). However, the connection between the CFST column and the
prestressed concrete beams is quite complex, most of current studies only foccus on
proposing connection and carrying out the test. This thesis presents the simulation of CFST
column and prestressed concrete beam connecction using ABAQUS software. The
simulation results are then compared with the results of the experiment with the aim of
verifying the accuracy of the simulation using ABAQUS.
Keywords – Concrete filled steel tube column; CFST; prestressed concrete beam;
connection; simulation; ABAQUS


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
1. Tính cấp thiết của đề tài: ........................................................................................ 1
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ............................................................................... 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: ......................................................................... 2
4. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................ 2
5. Kết quả dự kiến....................................................................................................... 2
6. Bố cục đề tài ........................................................................................................... 2

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG, DẦM BÊ
TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC, LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI HỆ
DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC. ................................................................. 3
1.1. TỔNG QUAN VỀ CỘT CFST............................................................................ 3
1.1.1. Cấu tạo cột CFST ..................................................................................... 3
1.1.2. Đặc điểm chịu lực của cột CFST ............................................................. 4
1.1.3. Ưu điểm, nhược điểm của cột ống thép nhồi bê tông .............................. 7
1.1.4. Các lĩnh vực áp dụng cột CFST ............................................................... 8
1.2. TỔNG QUAN VỀ HỆ KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC ...... 10
1.2.1. Kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước.................................................. 10
1.2.2. Cần thiết sử dụng bê tông ứng lực trước ............................................... 10
1.2.3. Nguyên lý làm việc ................................................................................ 11
1.2.4. Bê tông ứng lực trước căng trước .......................................................... 12
1.2.5. Bê tông ứng lực trước căng sau ............................................................. 13
1.3. LIÊN KẾT CỘT CFST VỚI DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP ............................. 13
1.3.1. Nghiên cứu của Nie (2008) [1] và Bai (2008) [2] ................................ 14
1.3.2. Nghiên cứu của Qing Jun Chen (2015) [3] ............................................ 15


1.3.3. Nghiên cứu của H.Y. Yu (2013)[5] ....................................................... 16
1.4. CÁC NGHIÊN CỨU VỀ MÔ PHỎNG LIÊN KẾT GIỮA CỘT CFST VỚI DẦM
BT ƯLT .................................................................................................................... 18
1.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 .................................................................................. 18
CHƯƠNG 2 - MÔ PHỎNG LIÊN KẾT GIỮA CỘT THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI
DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC BẰNG PHẦN MỀM ABAQUS ............ 19
2.1. MÔ TẢ LIÊN KẾT GIỮA CỘT CFST VỚI DẦM BT ƯLT ........................... 19
2.2. MÔ PHỎNG LIÊN KẾT BẰNG ABAQUS ..................................................... 20
2.2.1. Giới thiệu về phần mềm ABAQUS ....................................................... 20
2.2.2. Xây dựng mơ hình hình học cho liên kết ............................................... 21
2.2.3. Mơ hình vật liệu trong ABAQUS .......................................................... 21

2.2.4. Tương tác giữa các phần tử.................................................................... 27
2.3. CÁC BƯỚC MƠ HÌNH HĨA TRÊN PHẦN MỀM ABAQUS ....................... 29
2.3.1. Xây dựng cấu kiện: Từ module chọn Part ............................................. 29
2.3.2. Khai báo đặc trưng vật liệu: Từ module chọn Property ....................... 33
2.3.3. Lắp ghép cấu kiện: Từ module chọn Assembly ................................... 39
2.3.4. Các bước phân tích: Từ module chọn Step............................................ 41
2.3.5. Tương tác giữa các cấu kiện: Từ module chọn Interaction ................... 42
2.3.6. Định nghĩa tải trọng và điều kiện biên: Từ module chọn

Load ......... 48

2.3.7. Chia lưới cho cấu kiện trong mơ hình: Từ module chọn Mesh ............. 51
2.3.8. Cơng tác phân tích: Từ module chọn Job .............................................. 54
2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 .................................................................................. 54
CHƯƠNG 3 - PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG .................. 55
3.1. MƠ TẢ THÍ NGHIỆM ...................................................................................... 55
3.1.1. Chế tạo mẫu thí nghiệm ......................................................................... 55
3.1.2. Tiến hành đổ bê tông mẫu: .................................................................... 56
3.1.3. Thí nghiệm xác định cường độ vật liệu: ................................................ 57
3.1.4. Thiết bị thí nghiệm................................................................................. 59
3.1.5. Thiết lập, bố trí thi nghiệm .................................................................... 60
3.2. SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM .................................. 63
3.2.1. So sánh đường cong tải trọng- chuyển vị tại đầu dầm .......................... 63


3.2.2. So sánh ứng xử của dầm khi làm việc ................................................... 63
3.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 .................................................................................. 66
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.............................................................................. 67

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CFST

: Ống thép nhồi bê tông

BTCT

: Bê tông cốt thép

BT ƯLT

: Bê tông ứng lực trước

PPPTHH : Phương pháp phần tử hữu hạn
PTVPTP : Phương trình vi phân từng phần
f'c

: Cường độ chịu nén của bê tông

fy

: Cường độ chịu kéo của cốt thép

Ec

: Môđun đàn hồi của bê tông

Es

: Môđun đàn hồi của cốt thép

d

: chiều cao làm việc của dầm

b

: Bề rộng dầm

a

: Chiều cao vùng nén bê tông

tw

: Chiều dày tấm thép

hw

: Chiều cao tấm thép

S

: Mô men tĩnh của một nữa tiết diện chữ nhật tấm thép

Ix

: Mô men quán tính đối với trục x của tiết diện chữ nhật tấm thép

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Lựa chọn phần tử mô phỏng .........................................................................21
Bảng 2.2 Thơng số mơ hình phá hoại dẻo ....................................................................23
Bảng 2.3 Tương tác giữa các cấu kiện trong mô hình ..................................................29
Bảng 3.1 Kết quả thí nghiệm bê tơng ...........................................................................58
Bảng 3.2 Kết quả thí nghiệm cốt thép ..........................................................................58
Bảng 3.3 So sánh ứng xử mơ hình thí nghiệm với mơ hình ABAQUS .......................64


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 Cột ống thép nhồi bê tơng CFST ......................................................................3
Hình 1.2 Cột ống thép nhồi bê tơng CFST tiết diện rỗng ..............................................4
Hình 1.3. Các dạng cột CFST ..........................................................................................6
Hình 1.4 Cầu được xây dựng bằng kết cấu CFST ...........................................................9
Hình 1.5 Các tồ nhà có sử dụng kết cấu CFST ..............................................................9
Hình 1.6 Bê tơng ứng lực trước .....................................................................................12
Hình 1.7 Sơ đồ phương pháp căng trước.......................................................................13
Hình 1.8 Sơ đồ phương pháp căng sau ..........................................................................13
Hình 1.9 Hình dạng liên kết đề xuất bởi Nie and Bai ...................................................14
Hình 1.10 Thí nghiệm xác định khả năng chịu lực dọc của liên kết .............................14
Hình 1.11 Thí nghiệm xác định khả năng chịu động đất đối với cột giữa ....................15
Hình 1.12 Thí nghiệm xác định khả năng chịu động đất đối với cột biên ....................15
Hình 1.13 Hệ thống dầm xuyên qua kết nối ..................................................................16
Hình 1.14 Thí nghiệm mẫu ngun hình và kiểm tra riêng vùng liên kết ....................16
Hình 1.15 Cấu tạo của liên kết và thí nghiệm kiểm tra .................................................17
Hình 1.16 Hình dạng phá hoại tại liên kết và tại dầm vịng ..........................................17
Hình 1.17 Hình dạng vết nứt khi bị phá hoại tại vùng liên kết và dầm vịng................17
Hình 2.1 Chọn kích thước dầm .....................................................................................19
Hình 2.2 Chi tiết liên kết đề xuất ...................................................................................20
Hình 2.3 Quan hệ ứng suất –biến dạng khi chịu kéo của bê tơng .................................22

Hình 2.4 Quan hệ ứng suất –biến dạng khi chịu nén của bê tơng .................................23
Hình 2.5 Quan hệ ứng suất nén- biến dạng nén vỡ ......................................................24
Hình 2.6 Quan hệ biến dạng nén vỡ và hệ số phá hủy do nén ......................................24
Hình 2.7 Quan hệ ứng suất kéo - biến dạng nứt ............................................................24
Hình 2.8 Quan hệ biến dạng nứt và hệ số phá hoại do kéo ...........................................25
Hình 2.9 Quan hệ ứng suất –biến dạng khái quát hóa của cốt thép ..............................25
Hình 2.10 Quan hệ ứng suất –biến dạng trong mơ hình thép đàn dẻo lý tưởng............26
Hình 2.11 Quan hệ ứng suất–biến dạng trong mơ hình thép cải tiến đàn dẻo lý tưởng 26
Hình 2.12 Đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng cốt thép thanh ..........................27


Hình 2.13 Create Part cấu kiện dầm bê tơng…………………………………………30
Hình 2.14 Add Dimension .............................................................................................30
Hình 2.15 Edit Base Extrusion………………………...………………………………30
Hình 2.16 Edit Base Extrusion ......................................................................................30
Hình 2.17 Edit Cut Extrusion………………………………………………………….30
Hình 2.18 Đục lỗ dầm bê tơng.......................................................................................30
Hình 2.19 Cấu kiện lõi bê tơng cột ................................................................................31
Hình 2.21 Cấu kiện thép H 200x200 .............................................................................31
Hình 2.22 Cửa sổ thép đai dầm 220……………………………………………………32
Hình 2.23 Cửa sổ thép đai dầm 550 ..............................................................................32
Hình 2.24 Đai dầm 220………………………………………………………………32
Hình 2.25 Đai dầm 550 .................................................................................................32
Hình 2.26 Khai báo ống cáp…………………………………………………………...33
Hình 2.27 Cửa sổ ống cáp .............................................................................................33
Hình 2.28 Kính thước ống cáp ......................................................................................33
Hình 2.29 Thơng số mơ hình dẻo CDP .........................................................................34
Hình 2.30 Nhập đường cong chịu nén ...........................................................................34
Hình 2.31 Nhập đường cong chịu kéo ...........................................................................34
Hình 2.32 Đường cong tham số phá hủy kéo, nén ........................................................35

Hình 2.33 Thông số hệ ứng suất - biến dạng của cốt thép chịu lực ..............................35
Hình 2.34 Thơng số hệ ứng suất - biến dạng của cốt thép đai ......................................36
Hình 2.35 Thông số hệ ứng suất - biến dạng của cốt thép tấm .....................................36
Hình 2.36 Thay đổi độ dài do tăng nhiệt độ ..................................................................36
Hình 2.37 Khai báo cáp ƯLT ........................................................................................37
Hình 2.38 Cửa sổ định nghĩa thuộc tính mặt cắt dầm bê tơng ......................................38
Hình 2.39 Cửa sổ định nghĩa thuộc tính mặt cắt cốt thép dọc lớp trên .........................38
Hình 2.40 Cửa sổ định nghĩa thuộc tính các cấu kiện ...................................................39
Hình 2.41 Cửa sổ gán thuộc tính cho cấu kiện dầm bê tơng .........................................39
Hình 2.42 Cửa sổ Create Instance .................................................................................40
Hình 2.43 Mơ hình lắp ghép hồn chỉnh .......................................................................40
Hình 2.44 Edit Step .......................................................................................................41


Hình 2.45 CreateField…………………………………………………………………41
Hình 2.46 Edit Field Output Request ............................................................................41
Hình 2.47 Create History……………………………………………………………42
Hình 2.48 Edit History Output Request ........................................................................42
Hình 2.49 Khai báo Tangential Behavior……………………………………………43
Hình 2.50 Khai báo Tangential Behavior ….. ...............................................................43
Hình 2.51 Khái báo Cohesive Behavior……………………………………………43
Hình 2.52 Khai báo Damage .........................................................................................43
Hình 2.53 Khai báo Evolution…………………………………………………………44
Hình 2.54 Khai báo Thermal Conductance ...................................................................44
Hình 2.55 Khai báo Damage…………………………………………………………44
Hình 2.56 Khai báo Evolution .......................................................................................44
Hình 2.57 Cửa sổ Tangential Behavior .........................................................................45
Hình 2.58 Cửa sổ Normal Behavior ..............................................................................45
Hình 2.59 Cửa sổ Create Interaction .............................................................................45
Hình 2.60 Cửa sổ Edit Interaction .................................................................................46

Hình 2.61 Ràng buộc nhúng cốt thép ............................................................................47
Hình 2.62 Ràng buộc “Tie” giữa ống thép với các thép H 200x200 chịu cắt ..............47
Hình 2.63 Ràng buộc “Tie” giữa các tấm thép đặt lực và dầm bê tơng ........................48
Hình 2.64 Các bước khai báo điều kiện biên ................................................................49
Hình 2.65 Cửa sổ khai báo điều kiện biên đối xứng .....................................................50
Hình 2.66 Cửa sổ khai báo điều kiện ngàm chân cột ....................................................50
Hình 2.67 Cửa sổ khai báo tải nhiệt (ΔT)......................................................................50
Hình 2.68 Cửa sổ khai báo gia tải .................................................................................51
Hình 2.69 Chia khối ......................................................................................................52
Hình 2.70 Mơ hình sau khi chia lưới .............................................................................53
Hình 2.71 Cửa sổ Job Manager .....................................................................................54
Hình 3.1 Cấu tạo liên kết và bố trí cốt thép dầm thí nghiệm.........................................55
Hình 3.2 Chi tiết liên kết ...............................................................................................56
Hình 3.3 Đổ bê tơng cho mẫu thí nghiệm .....................................................................56
Hình 3.4 Mẫu thí nghiệm sau khi hồn thành công tác đổ bê tông ...............................57


Hình 3.5 Cơng tác lấy mẫu bê tơng ...............................................................................57
Hình 3.6 Thí nghiệm mẫu bê tơng 150x300mm ...........................................................57
Hình 3.7 Thí nghiệm cường độ cốt thép ........................................................................58
Hình 3.8 Cảm biến đo biến dạng (strain gauges) ..........................................................59
Hình 3.9 Cảm biến đo chuyển vị LVDT .......................................................................59
Hình 3.10 Máy bơm dầu dùng cho thí nghiệm ..............................................................60
Hình 3.11 Kích thủy lực ................................................................................................60
Hình 3.12 Hệ thống thu các dữ liệu từ cảm biến ...........................................................60
Hình 3.13 Bố trí thí nghiệm ...........................................................................................61
Hình 3.14 Mẫu thí nghiệm đã phá hoại .........................................................................62
Hình 3.15 Đồ thị tải trọng – chuyển vị ..........................................................................62
Hình 3.16 Đường cong quan hệ tải trọng- chuyển vị đầu dầm .....................................63
Hình 3.17 Vết nứt xuất hiện ở cấp tải 300 kN ...............................................................64

1

MỞ ĐẦU
Kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFST) ngày càng được sử dụng rộng rãi làm
kết cấu chịu lực trong các cơng trình xây dựng như cầu, nhà cao tầng… do có nhiều ưu
điểm vượt trội so với kết cấu thép và kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) thông thường như
khả năng chịu lực cao, độ dẻo của kết cấu lớn… Ngồi ra, khả năng thi cơng nhanh,
khơng tốn kém các chi phí và thời gian cho công tác ván khuôn cũng là một ưu điểm
vượt trội của loại kết cấu này.
Trong các cơng trình nhà cao tầng, kết cấu sàn phẳng BTCT mang lại nhiều hiệu
quả do giảm chiều cao tầng mà vẫn đảm bảo khoảng thơng thủy sử dụng. Tuy nhiên, đối
với các cơng trình có kích thước nhịp lớn việc sử dụng kết cấu sàn phẳng bê tơng ứng
lực trước khơng cịn hiệu quả, đồng thời không đáp ứng được yêu cầu độ cứng ngang
cho sàn thì việc sử dụng sàn phẳng BTCT kết hợp dầm bê tơng ứng lực trước là hợp lý.
Vì nó thỏa mãn được yêu cầu về kiến trúc và kết cấu.
Hệ kết cấu chịu lực dùng kết cấu cột ống thép nhồi bê tông kết hợp với dầm bê
tông ứng lực trước đang trở thành một xu hướng mới trong nhà cao tầng hiện nay. Tuy
nhiên, những nghiên cứu về hệ kết cấu này còn hạn chế, đặc biệt là giải quyết liên kết
giữa cột ống thép nhồi bê tông với dầm bê tông ứng lực trước chưa được hiểu rõ và cần
có nhiều nghiên cứu hơn nữa để phân tích loại liên kết này.
Việc liên kết cột ống thép nhồi bê tông với dầm bê tông ứng lực trước khá phức
tạp, rất ít các nghiên cứu về kiểu liên kết cột CFST- dầm bê tông ứng lực trước. Do đó,
cần thực hiện nghiên cứu mơ phỏng liên kết để khảo sát cụ thể về ứng xử của liên kết
(trạng thái ứng suất và cơ chế phá hoại), mức độ ảnh hưởng của các chi tiết cấu tạo đến
sự làm việc của liên kết. Do đó, việc khảo sát liên kết giữa dầm bê tông ứng lực trước
với cột ống thép nhồi bê tông là cần thiết nhằm cung cấp một cơ sở lý luận chi tiết về
ứng xử của liên kết giúp người thiết kế hiểu rõ bản chất làm việc để cấu tạo chi tiết liên
kết hợp lý, và đó là lý do để thực hiện luận văn với đề tài: “Mô phỏng ứng xử liên kết

cột ống thép nhồi bê tông với dầm bê tông ứng lực trước”.
- Nghiên cứu tổng quan về cột CFST, dầm bê tông ứng lực trước, liên kết giữa cột
CFST với dầm bê tông ứng lực trước.


2
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình theo phương pháp phần tử hữu
hạn (phần mềm mơ phỏng kết cấu ABAQUS).
- Thực hiện mơ hình mơ phỏng (lấy các liên kết đã được thí nghiệm) để khảo sát
sự làm việc của liên kết, cụ thể là khảo sát cơ chế phá hoại, trạng thái ứng suất - biến
dạng, ảnh hưởng các yếu tố cấu tạo đến cường độ của liên kết. Từ đó rút ra các nhận xét
giữa mơ hình thí nghiệm và mơ hình mơ phỏng.
- Đối tượng nghiên cứu: Cột giữa CFST và dầm bê tông ứng lực trước.
- Phạm vi nghiên cứu: Mối liên kết cột giữa CFST và dầm bê tông ứng lực trước.
- Nghiên cứu tổng quan;
- Nghiên cứu cơ sở lý thút mơ hình mơ phỏng số (Phần mềm ABAQUS);
- Mơ hình liên kết, khảo sát liên kết.
- Mơ phỏng liên kết đã có kết quả thí nghiệm bằng ABAQUS.
- Mơ tả được trạng thái ứng xử của liên kết (tải trọng và chuyển vị).
- Xây dựng quy trình mơ phỏng liên kết giữa cột CFST với dầm dầm bê tông ứng
lực trước bằng phần mềm ABAQUS.
Mở đầu:
1. Tính cấp thiết của đề tài
2. Mục tiêu đề tài
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
4. Phương pháp nghiên cứu
Chương 1: Tổng quan về kết cấu cột CFST, kết cấu dầm bê tông ứng lực trước và
mối liên kết giữa cột CFST với dầm bê tông ứng lực trước.
Chương 2: Mô phỏng liên kết bằng phần mềm ABAQUS.
Chương 3: Khảo sát liên kết, đánh giá kết quả mô phỏng.

Kết luận và kiến nghị


3

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG,
DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC, LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI
BÊ TÔNG VỚI HỆ DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC.
1.1.1. Cấu tạo cột CFST
Hệ thống kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông (Concrete -Filled Steel Tube - viết
tắt tiếng Anh là CFST) là một hệ thống mà cấu kiện chịu lực chính là ống thép (steel
tube) được nhồi đặc bằng bê tông (concrete) cường độ cao hoặc trung bình. Thơng
thường dùng ống trịn, nhưng các ống vng cũng có thể được áp dụng. Hệ thống kết
cấu CFST có nhiều ưu điểm về: độ cứng, cường độ, khả năng chống biến dạng, và khả
năng chống cháy. Nói chung, loại kết cấu này có thể nghiên cứu áp dụng cho rất nhiều
loại cơng trình xây dựng nhà, xưởng và cầu.

Hình 1.1 Cợt ớng thép nhời bê tơng CFST
Kết cấu CFST có nhiều ưu thế:
- Độ bền của lõi bê tơng (có lớp vỏ thép với chức năng như lớp áo bọc chặt bên
ngoài) đã được tăng khoảng 2 lần so với độ bền của bê tông thông thường.
- Các nghiên cứu đã chứng tỏ rằng đúng ra là có sự co ngót nhưng cũng đã có sự
trương nở của bê tơng trong ống và sự trương nở đó được duy trì trong nhiều năm tạo
thuận lợi cho sự làm việc của bê tơng. Nhiều thí nghiệm đã chứng tỏ trị số biến dạng co
ngót theo chiều dọc của mẫu bị cách ly là rất nhỏ, vào khoảng e = (2 - 3).10-5. Đó là ưu
điểm của kết cấu ống thép được nhồi bê tông so với kết cấu bê tơng cốt thép thơng
thường.
Ngồi kết cấu ống thép mặt cắt đặc như trên cịn có loại ống thép trịn nhồi bê tông
mặt cắt rỗng với 2 lớp vỏ thép bọc mặt ngoài và mặt trong, kẹp giữa là lớp lõi bê tông.

4

Hình 1.2 Cợt ớng thép nhời bê tơng CFST tiết diện rỗng
Cách sắp xếp đan xen các lớp vật liệu thép và bê tông như vậy sẽ tạo ra cơ cấu chịu
lực chung giữa lõi bê tông và vỏ thép nhờ hiệu ứng nở hông của bê tông khi chịu nén.
Sự cách ly của bê tông với môi trường xung quanh tạo ra những điều kiện tốt hơn cho
sự làm việc của bê tơng khi chịu tải trọng. Nhiều thí nghiệm so sánh 2 loại kết cấu đã
cho thấy rằng tải trọng càng tác dụng dài hạn thì càng gây ra sự phá hoại trong bê tông
không bị cách ly lớn hơn nhiều so với bê tông bị cách ly. Trong bê tơng khơng được
cách ly thì các vết nứt nhỏ ngày càng nhiều, cịn trong bê tơng được cách ly khi chịu
ứng suất ở mức độ nhỏ tương tự như trong bê tơng khơng được cách ly thì chỉ sau 2 đến
3 ngày đầu sẽ hồn tồn khơng bị nứt thêm nữa. Trong các mẫu bê tông không được
cách ly thì tính phi tún của biến dạng từ biến có thể quan sát được trong vịng 20 đến
30 ngày, trong bê tơng được cách ly thì tính phi tún này sẽ mất đi trong vòng 2 đến 7
ngày đầu (với điều kiện chúng chịu ứng suất như nhau).
Việc nhồi bê tông vào ống thép đã nâng cao độ bền chống ăn mòn mặt trong của
ống thép, làm giảm độ mảnh của cấu kiện, làm tăng độ ổn định cục bộ của thành ống và
làm tăng khả năng chống móp, méo (biến dạng) của vỏ ống thép khi bị va đập [7] .
1.1.2. Đặc điểm chịu lực của cột CFST
Khác với ống thép thường, ống thép nhồi bê tông chỉ làm việc hiệu quả khi chịu
nén. Khi chịu kéo khả năng chịu lực của nó nhỏ hơn nhiều. Về mặt này ống thép nhồi
bê tông tương tự kết cấu bê tơng cốt thép. Do đó trong một hệ thống kết cấu chịu lực
nên dùng ống thép nhồi bê tông chỉ cho các cấu kiện chịu nén. Về nguyên tắc không nên
dùng kết cấu ống thép nhồi bê tông làm cấu kiện chịu kéo. Tuy nhiên trong một số
trường hợp cũng có thể dùng ống thép nhồi bê tơng làm cấu kiện chịu kéo vì các lý do
đặc biệt như: để chống rỉ cho bề mặt trong ống, để tăng độ cứng chống uốn hay tăng
trọng lượng bản thân.
Trong thực tế thường có 2 cách lập sơ đồ chịu lực:
- Thứ nhất: sử dụng ống thép nhồi bê tông trong các sơ đồ kết cấu truyền thống

của cơng trình mà có những cấu kiện chịu nén là chủ yếu, đó là các cột, trụ, thanh biên
cột điện, các thanh chịu nén của giàn và vòm.
- Thứ hai: lập các sơ đồ kết cấu mới mà trong đó các tải trọng tính toán chủ yếu do
ống thép nhồi bê tông chịu.


5
Diện tích bề mặt ngồi của kết cấu ống thép nhồi bê tông chỉ nhỏ bằng khoảng một
nửa so với của kết cấu thép cán có cùng khả năng chịu lực, do đó chi phí về sơn phủ và
bảo dưỡng cũng ít hơn. Trên bề mặt của ống hình trụ sẽ đọng lại rất ít bụi và chất bẩn vì
vậy kết cấu ống thép nhồi bê tơng có độ bền chống gỉ cao.
Do kết cấu là các thanh hình trụ trịn nên cải thiện được tính chất khí động học và
tính ổn định. Độ cứng chống xoắn của các thanh loại ống tròn này cao hơn nhiều so với
thanh mặt cắt hở. Các ống thép nhồi bê tông không cần sơn phủ, mạ kim loại hoặc bịt
kín mặt trong của ống.
Giá thành tổng thể của cơng trình làm bằng kết cấu ống thép nhồi bê tơng nói chung
nhỏ hơn nhiều so với giá thành của cơng trình tương tự làm bằng kết cấu bê tông cốt
thép hoặc kết cấu thép thông thường.
Khối lượng của kết cấu ống thép nhồi bê tông nhỏ hơn so với kết cấu bê tông cốt
thép do đó việc vận chuyển và lắp ráp dễ dàng hơn. Kết cấu ống thép nhồi bê tông kinh
tế hơn so với kết cấu bê tơng cốt thép vì khơng cần ván khn, giá vịm, đai kẹp và các
chi tiết đặt sẵn, nó có sức chịu đựng tốt hơn, ít hư hỏng do va đập. Do khơng có cốt chịu
lực và cốt ngang nên có thể đổ bê tơng với cấp phối hỗn hợp cứng hơn (tỷ lệ nước/xi
măng có thể lấy nhỏ hơn) và sẽ dễ dàng đạt chất lượng bê tông cao hơn.
Ống thép sản xuất bằng thép cán uốn tròn rồi được hàn nối theo dọc ống thường
có độ chính xác cao về bề dày, đường kính, độ ovan và do đó thoả mãn các điều kiện
lắp dựng và khai thác. Loại ống thép hàn xoắn có thể được chế tạo bằng cách uốn các
tấm thép hẹp theo đường xoắn ốc rồi hàn lại dọc theo đường nối xoắn ốc là kinh tế nhất
(loại ống này đã đựơc dùng làm cọc ống cho cầu Bính ở Hải Phịng).
Nói chung đặc điểm cơ bản của loại kết cấu ống thép nhồi bê tơng có thể được

tổng kết như sau:
+ Mặt cắt ngang của cột trong hệ thống kết cấu ống thép nhồi bê tơng có thể được
giảm do tăng cường độ vật liệu.
+ Các nguyên nhân dao động kết cấu do động đất và gió có thể được giảm do nó
được tăng cường độ cứng hơn kết cấu thép thơng thường.
+ Ảnh hưởng của sự cố cháy có thể được giảm hoặc bỏ qua do hiệu ứng của bê
tông nhồi đặc trong ống thép.
Các kết cấu ống thép liên hợp trong xây dựng dân dụng thường là kết cấu cột liên
hợp, đó là một kết cấu chỉ chịu nén dọc trục. Nhưng trong thực tế, các cột không chỉ
chịu nén mà còn chịu uốn do lực nén đặt lệch tâm. Tiêu chuẩn chung của cột liên hợp là
phần tử thép có tác động liên hợp với phần tử bê tơng, vì vậy cả hai phần tử thép và bê
tông đều tham gia kháng lại lực nén. Cột liên hợp gồm các thành phần kết cấu thép ở
bên trong được bọc bằng bê tơng ở bên ngồi đã tận dụng hiệu quả về mặt cường độ của
2 loại vật liệu và đồng thời còn tạo thành các kết cấu kiện có tính kháng cháy cao. Chính
vì vậy, các kiểu cột liên hợp đã phát triển sớm trong thế kỷ 20 như một cách thức bảo
vệ chống cháy. Bê tông bọc bên ngoài thép, tạo ra lớp vỏ bảo vệ chống cháy bên ngoài


6
cho lõi thép. Một vài kiểu cột liên hợp với các dạng mặt cắt ngang khác nhau như ở
Hình 1.3

a) Cột CFST thông thường

b) Cột CFST được tăng cường thép ở lõi bê tơng

c) Cợt CFST được bọc bê tơng
Hình 1.3 Các dạng cột CFST
Nhược điểm của các kêt cấu bê tơng thơng thường là cần thiết phải có bộ ván khn
hồn chỉnh trong quá trình thi cơng. Kết cấu ống thép nhồi bê tơng (CFST) có lớp vỏ

ống thép bọc bê tơng do đó khơng cần thiết phải có ván khn vì chính bản thân ống
thép đã làm nhiệm vụ ván khn trong suốt quá trình đổ bê tơng. Cột CFST có khả năng
áp dụng được với nhiều trạng thái kết cấu. Tuỳ theo cách bố trí thép và bê tông trong
mặt cắt ngang sẽ tạo ra được độ cứng cần thiết của mặt cắt. Vỏ thép có tác dụng chịu
kéo và chịu mô men uốn của cột.


7
Độ cứng của cột CFST rất lớn bởi vì vật liệu thép được bố trí ở xa trục trọng tâm
nhất, ở vị trí đó nó cũng góp phần làm tăng mơ men quán tính của mặt cắt. Các dạng lõi
bê tơng lý tưởng có tác dụng chống lại tải trọng nén và cản trở trạng thái oằn cục bộ của
ống thép. Như vậy, nên sử dụng các cột CFST tại những vị trí phải chịu tải trọng nén
lớn. Sự giãn nở bị động ở thành bên đã được tạo ra bởi ống thép cũng làm cải thiện
cường độ, tính mềm dẻo và biến dạng của bê tông. Khác hẳn với cột bê tơng cốt thép và
cột liên hợp có bê tơng bọc bên ngồi thép với cốt thép ngang, trong kết cấu CFST vỏ
ống thép ngăn cản nứt và của lõi bê tông và sự tập trung cốt thép nhỏ trong các vùng
liên kết.
Các cột liên hợp CFST ngày càng được áp dụng nhiều trên thế giới. Dạng cột này
có nhiều lợi thế như cường độ cao, tính mềm dẻo, và khả năng chịu nhiệt lớn, giảm thời
gian xây dựng, tăng độ an toàn, và sử dụng các kiểu liên kết đơn giản được tiêu chuẩn
hoá. Ngày nay, các tiến bộ công nghệ đã cho phép sản xuất bê tông cường độ chịu nén
cao nên cho phép thiết kế cột mảnh hơn, cho phép có được các sàn rộng hơn.
Các kết quả nghiên cứu kết hợp các thí nghiệm và phân tích bằng phương pháp
phần tử hữu hạn (FEM) đối với các cột CFST cho thấy có thể sử dụng bê tông cường độ
cao và vẫn đạt được một trạng thái kết cấu mềm dẻo. Tuy nhiên, ống thép dày hơn là
cần thiết cho bê tông cường độ cao nếu mục đích là đảm bảo tính mềm dẻo. Hiệu ứng
tăng cường độ bê tông do sự trương nở là rõ ràng nhất đối với cột ngắn chịu tải trọng
lệch tâm. Để đảm bảo tác động liên hợp giữa thép với bê tơng, (ngồi việc lợi dụng
cường độ dính bám tự nhiên khi tải trọng được tác dụng chỉ với ống thép hoặc chỉ với
lõi bê tông) cần phải thiết kế bổ sung các neo liên kết. Vì vậy, cường độ dính bám sẽ

kém quan trọng hơn. Điều này cần lưu ý đặc biệt khi sử dụng bê tông cường độ cao được
nhồi vào trong ống thép.
1.1.3. Ưu điểm, nhược điểm của cột ống thép nhồi bê tông
a. Ưu điểm
Độ bền của lõi bê tông (lớp vỏ thép với chức năng như lớp áo bọc chặt bên ngoài)
đã được tăng khoảng 2 lần so với độ bền của bê tông thường [7];
Cách sắp xếp vật liệu trên trên mặt cắt ngang làm tối ưu cường độ và độ cứng của
cấu kiện. Cốt thép được phân bố ở chu vi ngoài cùng của tiết diện nên phát huy hiệu quả
làm việc cao nhất khi chịu mô men uốn. Bê tông tạo một lõi lý tưởng để chống lại tải
trọng nén trong quá trình làm việc, trì hỗn và chống lại sự bất ổn định cục bộ của ống
thép đặc biệt các cấu kiện có tiết diện hình vng hoặc chữ nhật [6]. Ngồi ra, ống thép
cản trở biến dạng nở hơng của lõi bê tông làm tăng cường độ chịu nén và độ dẻo dai đối
với cấu kiện CFST;
Việc nhồi bê tông vào trong ống thép làm nâng cao độ chống ăn mòn bên trong


8
ống thép, làm giảm độ mảnh, làm tăng độ ổn định cục bộ của thành ống và làm tăng khả
năng chống móp méo của vỏ ống thép khi va đập [7];
Giá thành tổng thể của cơng trình làm bằng kết cấu ống thép nhồi bê tơng nói chung
nhỏ hơn nhiều so với giá thành của cơng trình tương tự làm bằng kết cấu bê tông cốt
thép hay kết cấu thép thông thường. Khối lượng của kết cấu ống thép nhồi bê tông nhỏ
hơn so với kết cấu bê tông do đó việc vận chuyển và lắp ráp dễ dàng hơn đồng thời làm
giảm tải trọng xuống móng. Kết cấu ống thép nhồi bê tông kinh tế hơn so với kết cấu bê
tơng cốt thép vì khơng cần ván khn, giá vịm, đai kẹp và các chi tiết đặt sẵn, nó có sức
chịu đựng tốt hơn ít hư hỏng do va đập. Do khơng có cốt chịu lực và cốt ngang nên có
thể đổ bê tơng với cấp phối hỗn hợp cứng hơn (tỉ lệ N/X có thể lấy nhỏ hơn) và sẽ dễ
dàng đạt chất lượng bê tông cao hơn [7],[6].
b. Nhược điểm
Một cấu kiện CFST bao gồm hai vật liệu với sự khác nhau về đường cong ứng

suất-biến dạng và ứng xử cũng có sự khác biệt rõ rệt. Sự tương tác giữa hai vật liệu này
đặt ra một bài toán khó trong việc xác định thuộc tính kết hợp như mơ men quán tính,
mơdul đàn hồi;
Cơ chế phá hoại cấu kiện phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình dạng, chiều dài,
đường kính, chiều dày ống thép, cường độ thép và cường độ bê tông cùng với các thơng
số về sự kết dính giữa hai mặt tiếp xúc của vật liệu thép và bê tông, sự giam hãm của bê
tông ứng suất dư, hiện tượng từ biến, sự co ngót và các dạng tải trọng làm phức tạp thêm
sự phân tích và thiết kế đối với cấu kiện CFST [6];
Một hạn chế nữa ảnh hưởng đến việc sử dụng rộng rãi loại kết cấu này đó là cấu
tạo liên kết giữa cột CFST và sàn bê tông cốt thép, dầm bê tông cốt thép hay dầm thép.
Các ứng xử, cơ chế làm việc, trạng thái phá hoại liên kết chưa được hiểu rõ do đó gây
ra khơng ít những khó khăn cho tính toán thiết kế cấu tạo liên kết;
Hiện nay, các hạn chế tồn tại của loại kết cấu CFST tiếp tục được nghiên cứu để
dần hoàn thiện các yêu cầu về mặt cấu tạo, lý thuyết tính toán cũng như nhận thức sâu
hơn về ứng xử của loại kết cấu này.
1.1.4. Các lĩnh vực áp dụng cột CFST
Kết cấu ống thép nhồi bê tông được ứng dụng rộng rãi cho rất nhiều lĩnh vực như:
cầu đường, nhà dân dụng và công nghiệp, giàn khoan dầu...
Hiện nay, việc xây dựng cầu qua các sông rộng và sâu, có nhu cầu lưu thơng đường


9
thuỷ lớn và điều kiện địa chất phức tạp đang đòi hỏi phải sử dụng các loại nhịp lớn khẩu
độ hàng trăm mét. Với các kích thước như vậy, cấu kiện sẽ nặng và trở thành một nguyên
nhân làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu, làm tăng chi phí xây dựng cũng như tạo
thêm nhiều phức tạp cho việc vận chuyển, lắp ráp, thi công kết cấu. Với việc sử dụng
kết cấu CFST cho cấu kiện chịu lực nén chính như vịm chính của cầu vịm, thanh mạ
cong trong cầu dàn, hệ móng cọc của kết cấu trụ, thân trụ sẽ đáp ứng được yêu cầu về
chịu lực cao, độ cứng lớn vừa đáp ứng được việc giảm trọng lượng bản thân kết cấu.

Cầu Đông Trù

Cầu Rạch Chiếc 2

Hình 1.4 Cầu được xây dựng bằng kết cấu CFST
Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng, loại kết cấu này được áp dụng khá nhiều cho
cấu kiện chịu lực chính như hệ móng cọc, các cột đỡ của tồ nhà cao tầng. Các cơng
trình nhà ở tại thành phố Kobe được xây dựng nhằm chống lại những tác động lớn từ
động đất và kết cấu CFST đáp ứng được điều này.

Hình 1.5 Các tồ nhà có sử dụng kết cấu CFST


10
Trong lĩnh vực xây dựng dầu khí, năm 1989 tại 2 dàn khoan dầu ở biển Đen và
biển Azov của Liên Xô đã sử dụng cấu kiện mặt cắt rỗng tổ hợp 3 loại vật liệu thép - bê
tông làm các trụ đỡ chính của dàn khoan, nhờ đó giảm được 30% lượng thép so với dàn
khoan bằng thép cùng loại; hơn nữa, phần rỗng còn được dùng để lắp các thiết bị công
nghệ và cáp thông tin.

1.2.1. Kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước
Kết cấu bê tông ứng lực trước cịn gọi là kết cấu bê tơng ứng suất trước, hay bê
tông tiền áp, hoặc bê tông dự ứng lực là kết cấu bê tông cốt thép sử dụng sự kết hợp ứng
lực căng rất cao của cốt thép ứng suất trước và sức chịu nén của bê tông để tạo nên trong
kết cấu những biến dạng ngược với khi chịu tải, ở ngay trước khi chịu tải. Nhờ đó những
kết cấu bê tơng này có khả năng chịu tải trọng lớn hơn kết cấu bê tông thông thường,
hoặc vượt được những nhịp hay khẩu độ lớn hơn kết cấu bê tông cốt thép thông thường
[8].
1.2.2. Cần thiết sử dụng bê tông ứng lực trước
Cần thiết và có thể dùng được thép cường độ cao: trong bê tông cốt thép thường,

không dùng được thép cường độ cao, vì những khe nứt đầu tiên ở bê tơng sẽ xuất hiện
khi ứng xuất trong cốt thép chịu kéo quá mới chỉ đạt giá trị từ 200 đến 300 kG/cm2. Khi
dùng thép cường độ cao ứng xuất trong cốt thép chịu kéo có thể đạt tới trị số 10000 đến
12000 kG/cm2 hoặc lớn hơn. Điều đó làm xuất hiện các khe nứt rất lớn, vượt quá giá trị
giới hạn cho phép. Trong bê tông cốt thép ứng lực trước, do có thể khống chế sự xuất
hiện khe nứt bằng lực căng trước của cốt thép nên cần thiết và có thể dùng được thép
cường độ cao. Kết quả là dùng ít thép hơn vào khoảng 10 ÷ 80%.
Hiệu quả tiết kiệm thép thể hiện rõ nhất trong các cấu kiện có nhịp lớn, phải sử
dụng nhiều cốt chịu kéo như dầm, giàn, thanh kéo của vòm, cột điện, tường bể chứa,
Xilo ... (tiết kiệm 50 -80% thép). Trong các cấu kiện nhịp nhỏ, do cốt cấu tạo chiếm tỉ
lệ khá lớn nên tổng số thép tiết kiệm sẽ ít hơn (khoảng 15%).
Đồng thời cũng cần lưu ý rằng giá thành của thép tăng chậm hơn cường độ của nó.
Do vậy dùng thép cường độ cao sẽ góp phần làm giảm giá thành cơng trình.
Có khả năng chống nứt cao hơn (do đó khả năng chống thấm tốt hơn): dùng bê
tơng cốt thép ứng lực trước, người ta có thể tạo ra các cấu kiện không xuất hiện các khe
nứt trong vùng bê tông chịu kéo, hoặc hạn chế sự phát triển bề rộng của khe nứt, khi
chịu tải trọng sử dụng. Do đó bê tơng cốt thép ứng lực trước tỏ ra có nhiều ưu thế trong


11
các kết cấu địi hỏi phải có khả năng chống thấm cao như ống dẫn có áp, bể chứa chất
lỏng và chất khí...
Có độ cứng lớn hơn (do đó có độ võng và biến dạng bé hơn): nhờ có độ cứng lớn,
nên cấu kiện bê tông cốt thép ứng lực trước có kích thớc tiết diện ngang thanh mảnh hơn
so với cấu kiện bê tơng cốt thép thường khi có cùng điều kiện chịu lực như nhau, vì vậy
có thể dùng trong kết cấu nhịp lớn.
Ngoài các ưu điểm cơ bản trên, kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước cịn có một
số ưu điểm khác như :
+ Nhờ có tính chống nứt và độ cứng tốt nên tính chống mỏi của kết cấu được nâng
cao khi chịu tải trọng lặp đi lặp lại nhiều lần.

+ Nhờ có ứng lực trước nên phạm vi sử dụng kết cấu bê tông cốt thép lắp ghép và
nửa lắp ghép được mở rộng ra rất nhiều. Người ta có thể sử dụng biện pháp ứng lực
trước để nối các mảnh rời của một kết cấu lại với nhau.
1.2.3. Nguyên lý làm việc
Cốt thép trong bê tông, là cốt thép cường độ cao, được kéo căng ra bằng máy kéo
ứng suất trước, đạt tới một giá trị ứng suất nhất định, được thiết kế trước, nằm trong giới
hạn đàn hồi của nó, trước khi các kết cấu bê tông cốt thép này chịu tải. Lực căng cốt
thép này làm cho kết cấu bê tông biến dạng ngược với biến dạng do tải trọng gây ra sau
này khi kết cấu làm việc. Nhờ đó, kết cấu bê tơng cốt thép ứng suất trước có thể chịu tải
trọng lớn gần gấp đôi so với kết cấu này, khi không căng cốt thép ứng suất trước. (Khi
chịu tải trọng bình thường, biến dạng do tải trọng gây ra chỉ đủ để triệt tiêu biến dạng
do căng trước, kết cấu trở lại hình dạng ban đầu trước khi căng, giống như khơng hề
chịu tải gì.).
Ở kết cấu bê tơng cốt thép thơng thường, thì cốt thép cùng với vật liệu bê tơng chỉ
thực sự làm việc (có ứng suất) khi có sự tác dụng của tải trọng. Còn ở kết cấu ứng suất
trước, trước khi đưa vào chịu tải thì kết cấu đã có trong nó một phần ứng suất ngược rồi.
Cốt lõi của việc kết cấu bê tơng ứng suất trước có khả năng chịu tải rất lớn là nhờ việc
tạo ra các biến dạng ngược với khi làm việc bình thường. Việc sử dụng vật liệu cơ tính
cao như: cốt thép cường độ cao, bê tông mác cao,... chỉ là điều kiện phụ trợ để tăng khả
năng chịu tải của kết cấu bê tông ứng suất trước.